KR101183531B1 - Ultrasonic doppler flowmeter and ultrasonic doppler flowmetric method using cross correlation technic - Google Patents
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Abstract
수로 또는 하천에 적용하기 위한 인코딩 신호의 상호상관 기법을 이용한 초음파 도플러 유속분포 측정 장치 및 방법이 개시된다. 상기의 유속분포 측정 방법은, (a) 무작위의 코드를 기반으로 인코딩된 신호를 이용하여 송신신호를 생성하는 단계; (b) 상기 생성된 송신 신호를 초음파 트랜스듀서를 통하여 송신하는 단계; (c) 물속 미세입자에 의해 산란된 신호를 초음파 트랜스듀서를 통하여 수신하는 단계; (d) 상기 수신된 신호의 상호상관을 통해 위상차를 검출하는 단계; (e) 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 한 주기 이상의 위상차의 구분이 어려운 기존의 상호상관 측정 방식의 단점을 극복하여 빠른 유속에서도 제한 없이 유속 측정이 가능하며, 측정 성능도 기존의 방식보다 상대적으로 우월한 고성능의 유속분포 측정 장치 및 방법의 구현이 가능하다.An apparatus and method for measuring ultrasonic Doppler flow rate distribution using a cross-correlation technique of an encoded signal for application to a water channel or a river is disclosed. The flow rate distribution measuring method may include: (a) generating a transmission signal using a signal encoded based on a random code; (b) transmitting the generated transmission signal through an ultrasonic transducer; (c) receiving a signal scattered by the microparticles in the water through an ultrasonic transducer; (d) detecting a phase difference through cross correlation of the received signals; (e) converting the detected phase difference into a flow rate. According to the present invention, it is possible to measure the flow rate without limitation even at a high flow rate by overcoming the disadvantages of the conventional cross-correlation measurement method, which is difficult to distinguish the phase difference of more than one period, and the measurement performance is also superior to the conventional method of the high-performance flow rate distribution measuring device. And implementation of the method is possible.
Description
본 발명은 수로나 하천 등의 유속분포를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 신호의 상호상관(Cross Correlation) 기법을 통해 수심별 또는 거리별 유속분포를 측정하고, 신호의 인코딩(Encoding)을 통해 측정 성능을 향상시켜 고성능의 유속분포 측정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring a flow rate distribution of a water channel or a river, and more particularly, to measure a flow rate distribution by depth or distance through a cross correlation technique, and to encode a signal. The present invention relates to an apparatus and a method for measuring flow rate distribution of high performance by improving measurement performance through encoding.
현재, 초음파의 도달 시간차를 이용하여 평균유속을 측정하는 장치는 국내/외에서 많이 개발되어 시판되고 있지만, 도플러 방식으로 유속분포를 측정하는 장치는 국내에는 전무하며 국외에도 그 수가 많지 않다.At present, a device for measuring the average flow rate by using the time difference of arrival of ultrasonic waves has been developed and marketed in Korea and abroad, but there are no devices for measuring the flow rate distribution by the Doppler method in Korea and the number is not many abroad.
도플러 방식의 유속분포 측정 방법 중, 대표적인 방법으로 상호상관을 통한 위상차 탐지 방식을 들 수 있다. 이는 순차적으로 송/수신된 신호의 유사도 검사를 통해 각 신호의 위상차(시간차)를 탐지하여 이를 유속으로 환산하는 방법으로서, 현재 가장 정확하고 안정적인 유속분포 측정 방식 중의 하나로 알려져 있다. Among the Doppler flow rate distribution measuring methods, a representative method is a phase difference detection method through cross-correlation. This is a method of detecting the phase difference (time difference) of each signal by sequentially checking the similarity of the transmitted / received signals and converting it into a flow rate, which is currently known as one of the most accurate and stable flow rate measurement methods.
하지만 이러한 상호상관 방식도 크게 두 가지 측면에서 한계점을 가지고 있다. 첫째는 고유속 측정에서의 한계성, 둘째는 노이즈에 취약하다는 것이다.However, this cross-correlation method also has limitations in two aspects. The first is the limitation in high velocity measurements and the second is vulnerable to noise.
유속분포의 측정은 연속적으로 수신된 신호를 수심층에 맞게 구간(유속측정 셀)을 나누어 계산해야 하는데, 이러한 경우에 각각의 파장을 구분하기는 어렵다. 즉, 연속적인 정현파의 경우, 첫 번째 파장의 90도 위상인지, 두 번째 파장의 90도 위상(360+90=450도)인지 구분할 수 없다. 즉 한 주기(파장) 이내의 위상차에 대해서는 정확한 검출이 가능하지만, 한 주기 이상의 위상차에 대해서는 구분이 어려워지고, 이를 다르게 표현하면, 낮은 유속에서는 정확한 유속 측정이 가능하지만, 일정 속도 이상의 빠른 유속을 측정함에 있어서는 한계를 가진다는 의미이다. 이것이 고유속 측정에서의 한계성이다.The measurement of the flow rate distribution should be calculated by dividing the continuously received signal by dividing the interval (velocity measuring cell) according to the depth of the water layer. In this case, it is difficult to distinguish each wavelength. That is, in the case of continuous sinusoids, it is not possible to distinguish whether the phase is 90 degrees of the first wavelength or the 90 degrees of the second wavelength (360 + 90 = 450 degrees). That is, it is possible to accurately detect phase difference within one period (wavelength), but it is difficult to distinguish between phase difference more than one period.In other words, accurate flow rate measurement is possible at low flow rate, but it measures fast flow rate over a certain speed. In terms of meaning, there is a limit. This is the limit in high velocity measurements.
또한, 상호상관은 두 신호간의 유사도를 검사하는 기법이기 때문에, 주변 환경의 영향을 많이 받는다. 즉, 노이즈 등의 방해요소가 발생하면 신호의 왜곡이 발생하여 상호상관 결과가 전혀 다르게 검출될 수 있고 이는 장치의 성능을 현저히 저하시킨다. 이러한 상호상관의 특성 때문에 노이즈 등의 방해요소에 상당히 취약한 특성을 나타낸다.In addition, cross-correlation is a technique for checking the similarity between two signals, and thus is highly influenced by the surrounding environment. In other words, if a disturbance such as noise occurs, a distortion of the signal may occur, and the cross-correlation result may be completely detected differently, which may significantly reduce the performance of the device. Due to this cross-correlation property, it is very vulnerable to interference such as noise.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 상호상관 유속분포 측정 방식에 신호의 인코딩 기법을 접목하여 고유속의 환경에서도 높은 성능으로 유속분포를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것을 구현을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a conventional problem, and an apparatus and method for measuring a flow rate distribution with high performance even in a high velocity environment by incorporating a signal encoding technique into a conventional cross-correlation flow rate measurement method. The purpose of the implementation is to provide.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하고 있는 하기의 설명으로부터 보다 분명해 질 것이다.The above and other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following description which describes preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 인코딩 신호의 상호상관 기법을 이용한 도플러 유속분포 측정 방법은, (a) 무작위의 코드(Random Code)를 기반으로 인코딩된 신호를 이용하여 송신신호를 생성하는 단계; (b) 상기 생성된 신호를 초음파 트랜스듀서를 통해 송신하는 단계; (c) 물속 미세입자에 의해 산란된 신호를 초음파 트랜스듀서를 통해 수신하는 단계; (d) 상기 수신된 신호의 상호상관을 통해 위상차를 검출하는 단계; (e) 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The Doppler flow rate measurement method using the cross-correlation technique of the encoded signal according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, (a) using a signal encoded based on a random code (Random Code) Generating a signal; (b) transmitting the generated signal through an ultrasonic transducer; (c) receiving a signal scattered by the microparticles in the water through an ultrasonic transducer; (d) detecting a phase difference through cross correlation of the received signals; (e) converting the detected phase difference into a flow rate.
본 발명의 다른 일실시예에 따른 인코딩 신호의 상호상관 기법을 이용한 도플러 유속분포 측정 장치는, (a) 무작위의 코드를 기반으로 인코딩된 신호를 이용하여 송신신호를 생성하는 신호 생성부; (b) 상기 생성된 신호를 송신하는 신호 송신부; (c) 물 속 미세입자에 의해 산란된 신호를 수신하는 신호 수신부; (d) 수신된 신호의 상호상관을 통해 각 신호의 위상차를 검출하는 위상차 검출부; (e) 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 위상-유속 환산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.An apparatus for measuring Doppler flow rate distribution using a cross-correlation technique of an encoded signal according to another embodiment of the present invention includes: (a) a signal generator for generating a transmission signal using an encoded signal based on a random code; (b) a signal transmitter for transmitting the generated signal; (c) a signal receiver for receiving a signal scattered by the fine particles in water; (d) a phase difference detector for detecting a phase difference of each signal through cross correlation of the received signals; (e) a phase-flow conversion unit for converting the detected phase difference into a flow rate.
본 발명의 다른 일면에 따르면 상기 신호 송신부와 상기 신호 수신부는 상기 인코딩된 신호를 반영하여 송/수신할 수 있도록 설계된 광대역 초음파 트랜스듀서로 이루어지는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, the signal transmitter and the signal receiver are made of a broadband ultrasonic transducer designed to transmit / receive the reflected signal.
이러한 과정을 통해 고유속의 환경에서도 제한 없이 유속 측정이 가능하고, 노이즈 등의 주변 환경에 영향을 덜 받는 높은 성능의 유속분포 측정 장치 및 방법의 구현이 가능하다.Through this process, it is possible to measure the flow velocity without restriction even in a high velocity environment, and it is possible to implement a high performance flow rate measurement apparatus and method that is less affected by the surrounding environment such as noise.
기존의 상호상관 기법의 유속분포 측정 방식의 경우, 낮은 유속에서는 정확한 유속 측정이 가능하지만 일정 속도 이상의 빠른 유속을 측정함에 있어서는 한계를 가지고, 주변 노이즈에 상당히 취약하다는 단점을 가진다. 본 발명에 따르면, 무작위의 코드를 기반으로 인코딩된 신호를 송/수신함으로써, 빠른 유속을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 노이즈에도 강한 고성능의 유속분포 측정 장치 및 방법의 구현이 가능하다.In the case of the flow rate distribution measurement method of the conventional cross-correlation method, accurate flow velocity measurement is possible at a low flow rate, but has a limitation in measuring a rapid flow rate above a certain speed, and has a disadvantage of being extremely vulnerable to ambient noise. According to the present invention, by transmitting / receiving an encoded signal based on a random code, it is possible not only to measure a high flow rate but also to implement a high performance flow rate measurement apparatus and method that is also resistant to noise.
도1은 일반적인 유속분포 측정 장치의 연직방향의 유속분포 측정 개념도이고,
도2는 상호상관 방식에 의한 유속분포 측정 개념도이고,
도3은 신호의 상호상관을 통해 시간차를 탐지하는 예시도이고,
도4는 무작위의 코드로서 신호에 인코딩을 적용 했을 때와 적용하지 않았을 때의 상호상관 결과의 차이를 보여주는 예시도이고,
도5는 본 발명에 따른 유속분포 측정 장치의 회로 구성을 나타낸 블록 다이어그램이며,
도6은 본 발명에 따른 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.1 is a conceptual diagram of a flow velocity distribution measurement in a vertical direction of a general flow velocity distribution measuring apparatus,
2 is a conceptual diagram of measurement of flow velocity distribution by a cross-correlation method;
3 is an exemplary diagram of detecting a time difference through signal correlation.
4 is an exemplary diagram showing a difference between cross correlation results when encoding is applied to a signal as a random code and when it is not applied.
5 is a block diagram showing the circuit configuration of the flow rate distribution measuring apparatus according to the present invention,
6 is a flowchart showing a measuring method according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. These examples are only for illustrating the present invention more specifically, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples.
도1은 일반적인 연직 유속분포 측정 장치의 측정 개념도로서 일정 각도가 기울어진 방향으로 초음파 신호를 송/수신한 후 수신신호를 각 수심별로 층을 나누어 유속을 계산하면 각 층별 유속, 즉 유속분포를 획득할 수 있다. 1 is a conceptual diagram of a general vertical flow rate measurement apparatus. When an ultrasonic signal is transmitted / received in a direction inclined at an angle, the flow rate is calculated by dividing a received signal into layers at each depth to obtain a flow rate, that is, a flow rate distribution. can do.
도2는 상호상관 방식의 유속 측정 개념도로서 최초에 초음파 신호를 송/수신하면 1번 Ping과 같은 형태의 신호가 수신된다. 이후 특정시간(T)이 지난 후에 동일하게 초음파 신호를 송/수신하면 산란입자의 움직임에 의해 거리 차이가 발생하여 2번 Ping은 1번 Ping과 특정 시간차(t1, t2)를 가지고 수신된다. 이 시간차(위상차)를 이용하여 식 1을 통해 유속을 계산할 수 있다. 식 1에서 v는 유속, △t는 시간차, T는 송신주기(또는 측정주기), c는 음속, θ는 음파의 입사각, △φ는 위상차, f는 송신신호의 주파수를 의미한다.FIG. 2 is a conceptual diagram of flow rate measurement in a cross-correlation method. When an ultrasonic signal is first transmitted / received, a signal of the same type as the
상기에서 송신주기는 측정하고자 하는 최대수심에 의해 결정되는데 아래 식 2에 의해 계산된다. 예를 들어 최대 수심이 1m라고 하면 식 2에 의해 0.002초가 계산된다. The transmission period is determined by the maximum depth to be measured, which is calculated by Equation 2 below. For example, if the maximum depth is 1m, the equation 2 calculates 0.002 seconds.
이 때, 시간차 검출을 위해 상호상관 기법이 사용되는데, 상호상관은 서로 다른 두 신호의 상관성 또는 유사성을 나타내는 지표로서 수학적으로 식 3 과 같이 정의한다. 즉, 두 신호의 위상을 변화시키면서 각각의 유사성을 계산하여 두 신호의 위상차를 검출할 수 있다.In this case, a cross-correlation technique is used to detect a time difference, and the cross-correlation is mathematically defined as Equation 3 as an index indicating correlation or similarity between two different signals. That is, the phase difference of the two signals can be detected by calculating the similarity of each other while changing the phase of the two signals.
도3은 상호상관의 실시예로서 상단의 신호 1과 중단의 신호 2의 상호상관을 통해 하단과 같은 결과를 얻을 수 있음을 보여주고 있다. 그림에서 x축은 이산신호(discrete signal)의 데이터 개수로서, 신호의 시간(또는 위상)의 의미를 가진다. y축은 신호의 크기 또는 상호상관의 결과로서 두 신호의 유사도를 의미하는 상호상관계수를 나타낸다. 신호 1과 신호 2를 비교하면 약 10개의 데이터 개수에 해당하는 시간차가 있음을 알 수 있고, 하단의 그림에서 두 신호의 상호상관결과를 통해 이 시간차가 검출됨을 알 수 있다.FIG. 3 shows that as an example of cross-correlation, the following results can be obtained through cross-correlation between
도4는 신호의 인코딩 여부에 따른 상호상관 결과의 차이를 나타내는 그림으로서, a의 경우는 사인(sine) 정현파 10주기를 연속적으로 생성한, 즉 인코딩이 적용되지 않은 신호이고, b의 경우는 사인 정현파(코드0)와, 그와 180도의 위상차를 가진 파형(코드1), 2가지의 파형을 가지고 무작위의 코드로 10주기를 생성한, 즉 인코딩이 적용된 신호이다. a, b의 신호를 각각 코릴레이션 한 결과가 c와 d로서, 두 결과 모두 위상차 0에서 상호상관 계수의 최대값을 보인다는 점에서는 같은 결과이지만, 다른 위상차에서의 상호상관 계수는 현저히 다른 결과를 보이고 있다. 즉 c에서는 위상차 0에서 상호상관 계수의 최대값을 보이기 때문에 위상차가 적절히 검출되었지만, 다른 위상차에서의 상호상관 계수와의 차이가 d에 비해 상대적으로 작다. 반대로 d의 경우에는, 위상차 0에서의 상호상관 계수가 최대값으로서 위상차가 적절히 검출되면서, 다른 위상차에서의 상호상관 계수와 현격히 구분된다. 상호상관 계수가 현격히 구분된다는 것은 노이즈와 같은 방해요인에도 위상차를 잘 구분할 수 있다는 것을 의미하고, 이는 곧 장치의 유속측정 성능의 향상을 의미한다. 4 is a diagram showing the difference in cross-correlation results according to whether or not a signal is encoded. In the case of a, a sine sinusoidal cycle of 10 cycles is generated continuously, i.e., in the case of b, the sine It is a signal to which 10 cycles are generated by a random code with a sine wave (code 0), a waveform having a phase difference of 180 degrees (code 1), and two waveforms. The results of correlating the signals of a and b are c and d, respectively, and the same results are obtained in that both results show the maximum value of the cross-correlation coefficient at
또한, 유속분포 측정 장치는 연속적으로 수신된 신호를 수심층별로 신호를 나누어 계산하기 때문에 인코딩을 적용하지 않은 신호의 경우, 1주기(360도) 이상의 위상차가 발생할 경우 이를 구분이 어렵게 된다. 이는 각각의 파장이 다른 파장과 구분할 수 없기 때문인데, 예를 들어 실제로는 450도의 위상차가 발생했지만, 코릴레이션 결과는 90도(450-360)의 위상차가 발생한 것으로 인식할 수도 있다. 이는 바꾸어 말하면 일정 속도 이상의 고유속은 측정이 어려움을 의미한다. 예를 들어 중심주파수 1MHz의 신호를 45도 입사각으로 하여 수심 1m까지 측정한다고 가정할 경우, 식 1 및 식 2에 의해 약 0.56m/s 이상의 유속은 측정이 어려움을 알 수 있다. 그러나 송신신호의 인코딩을 통해 각각의 파장에 코드를 인가하게 되면 각각의 파장은 다른 파장과 구분이 되기 때문에 1주기 이상의 위상차가 발생해도 이의 구분이 명확해지고, 따라서 위의 예에서와 같은 측정 가능한 유속의 한계는 발생하지 않는다. In addition, since the flow rate distribution measuring device calculates the received signal by dividing the signal for each depth layer, it is difficult to distinguish the signal when the phase difference occurs more than one period (360 degrees). This is because each wavelength is indistinguishable from other wavelengths. For example, a 450 degree phase difference actually occurred, but the correlation result may be recognized as a 90 degree (450-360) phase difference. In other words, high velocity above a certain speed means that measurement is difficult. For example, assuming that a signal having a center frequency of 1 MHz is measured at a 45 degree incidence angle to a depth of 1 m, it is difficult to measure a flow rate of about 0.56 m / s or more according to
이러한 경우에는 단지 유속을 측정할 수 있는 수심의 간격을 의미하는 유속측정 셀의 크기에 따라 측정 가능한 유속의 한계가 정해지게 된다. 위의 예와 동일한 경우로 예를 들면, 1MHz 신호의 1파장의 길이는 0.15cm이고 따라서 측정 시의 유속측정 셀의 크기를 1.5cm(파장의 10배)로 가정하면, 그 안에는 10개의 파장이 점유하기 때문에 위의 예에서의 0.56m/s 인 유속의 한계는 그의 10배인 5.6m/s가 된다. 같은 이치로 유속측정 셀의 크기를 3cm로 가정하면 0.56m/s의 20배인 11.2m/s의 한계를 가지게 된다. 즉 수심 1m인 환경에서 3cm의 셀의 크기로 유속을 측정할 경우 11.2m/s의 유속까지 측정이 가능하고 이는 현실적으로 측정 가능한 유속의 한계가 없음을 의미한다. In this case, the limit of the measurable flow rate is determined according to the size of the flow rate measuring cell, which means only the interval of the depth at which the flow rate can be measured. In the same case as in the example above, for example, a wavelength of 1 MHz signal is 0.15 cm. Therefore, assuming that the flow rate measuring cell size is 1.5 cm (10 times the wavelength), there are 10 wavelengths in it. Because of the occupation, the limit of the flow rate of 0.56 m / s in the above example is 10 times its 5.6 m / s. Similarly, assuming that the size of the flow measurement cell is 3 cm, it has a limit of 11.2 m / s, which is 20 times 0.56 m / s. In other words, if the flow velocity is measured with a cell size of 3 cm in an environment of 1 m depth, it is possible to measure up to 11.2 m / s flow rate, which means that there is no practical limitation on the flow rate.
이와 같이 신호의 인코딩을 통해 상호상관 방식의 유속분포 측정 시에 발생할 수 있는 측정 가능한 유속의 한계를 제거하고, 노이즈와 같은 방해 요인에도 상대적으로 위상차를 정확하게 검출할 수 있는 성능 높은 유속분포 측정 장치의 구현이 가능하다.As such, the encoding of the signal removes the limitation of the measurable flow rate that may occur in the cross-correlation velocity measurement, and it is possible to detect the phase difference relatively accurately even in the case of interference such as noise. Implementation is possible.
도5는 본 발명에 따른 유속분포 측정 장치의 회로 구성도이고, 도6은 본 발명에 따른 측정 방법의 흐름도이다. 흐름도에 나타나 있는 바와 같이, 인코딩을 통해 송신신호를 생성하고 트랜스듀서를 통해 신호를 송신하면 물속 미세입자들에 의해 산란된 신호들이 트랜스듀서를 통해 수신된다. 수신된 신호는 증폭, 필터링 및 A/D변환 등을 거쳐 디지털 신호로 변환된 뒤 저장된다. 저장된 각각의 신호는 각 수심층에 해당하는 신호들로 다시 분류되고, 같은 층에 해당하는 신호들의 상호상관을 통해 각 수심층에서의 위상차(시간차)가 검출된다. 이렇게 검출된 위상차를 유속으로 환산하면 각 수심층에서의 유속, 즉 연직방향의 유속분포를 획득할 수 있다. 5 is a circuit diagram of the flow rate distribution measuring apparatus according to the present invention, and FIG. 6 is a flowchart of the measuring method according to the present invention. As shown in the flowchart, generating a transmission signal through encoding and transmitting the signal through the transducer receives the signals scattered by the microparticles in the water. The received signal is converted into a digital signal through amplification, filtering, and A / D conversion, and then stored. Each stored signal is again classified into signals corresponding to each depth layer, and a phase difference (time difference) in each depth layer is detected through cross-correlation of signals corresponding to the same layer. By converting the detected phase difference into a flow velocity, a flow velocity in each depth layer, that is, a flow velocity distribution in the vertical direction can be obtained.
한편, 상기에서 구체적인 실시예에 의해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이나 수정이 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구의 범위뿐만 아니라, 이 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다On the other hand, while the present invention has been described by the specific embodiment, it is obvious that various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below, but also by the equivalents of the claims.
Claims (3)
(a) 무작위의 코드를 기반으로 인코딩된 신호를 이용하여 송신신호를 생성하는 단계;
(b) 상기 생성된 송신 신호를 초음파 트랜스듀서를 통하여 송신하는 단계;
(c) 물속 미세입자에 의해 산란된 신호를 초음파 트랜스듀서를 통하여 수신하는 단계;
(d) 상기 수신된 신호의 상호상관을 통해 위상차를 검출하는 단계;
(e) 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인코딩 신호의 상호상관 기법을 이용한 초음파 도플러 유속분포 측정 방법.In the ultrasonic Doppler flow rate measurement method using the cross-correlation method of the encoded signal, the method,
(a) generating a transmission signal using the encoded signal based on a random code;
(b) transmitting the generated transmission signal through an ultrasonic transducer;
(c) receiving a signal scattered by the microparticles in the water through an ultrasonic transducer;
(d) detecting a phase difference through cross correlation of the received signals;
(e) converting the detected phase difference into a flow rate, the ultrasonic Doppler flow rate measurement method using a cross-correlation technique of an encoded signal.
(a) 무작위의 코드를 기반으로 인코딩된 신호를 이용하여 송신신호를 생성하는 신호 생성부;
(b) 상기 생성된 송신신호를 초음파 트랜스듀서를 통하여 송신하는 신호 송신부;
(c) 물속 미세입자에 의해 산란된 신호를 초음파 트랜스듀서를 통하여 수신하는 신호 수신부;
(d) 상기 수신된 신호의 상호상관을 통해 각 신호의 위상차를 검출하는 위상차 검출부;
(e) 상기 검출된 위상차를 유속으로 환산하는 위상-유속 환산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인코딩 신호의 상호상관 기법을 이용한 초음파 도플러 유속분포 측정 장치.In the ultrasonic Doppler flow rate measurement apparatus using the cross-correlation technique of the encoded signal, the apparatus,
(a) a signal generator for generating a transmission signal using a signal encoded based on a random code;
(b) a signal transmitter for transmitting the generated transmission signal through an ultrasonic transducer;
(c) a signal receiver for receiving a signal scattered by the microparticles in the water through an ultrasonic transducer;
(d) a phase difference detector for detecting a phase difference of each signal through cross correlation of the received signals;
(e) an ultrasonic Doppler flow rate measurement apparatus using a cross-correlation technique of encoding signals, comprising a phase-flow rate converting unit converting the detected phase difference into a flow rate.
The apparatus of claim 2, wherein the signal transmitter and the signal receiver comprise a wideband ultrasonic transducer designed to reflect the encoded signal. 4.
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Citations (2)
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11241934A (en) | 1998-02-26 | 1999-09-07 | Ultrasonic Eng Co Ltd | Ultrasonic flowmeter |
| JP2005337848A (en) | 2004-05-26 | 2005-12-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Ultrasonic distance measuring device |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101716208B1 (en) | 2016-04-28 | 2017-03-14 | 한국건설기술연구원 | Despiking method of abnormal signal data acquired with using three-dimensional doppler velocimetry in open channel flow and system for the same |
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